Апсорпција светлости
Апсорпција светлости је појава трансформације електромагнетне енергије у унутрашњу енергију, на пример топлотну енергију. Када се фотони сударе са атомима или молекулима повећава се брзина атома и молекула. У микро простору то доводи до промене дотадашњег распореда атома и молекула или стања у материји. Када више молекула у телу повећа брзину, тело постаје топлије. Ову топлоту тело потом емитује као топлотну енергију. Фотони у процесу апсорпције губе енергију сударјући се успут са великим бројем молекула. Најзад са мањом енергијом излазе из тела као инфрацрвени (топлотни) фотони који имају већу таласну дужину или мању фреквенцију.[1]
Видљива светлост је део електромагнетно зрачење, које обухвата таласне дужине од 390 до 720 нм, а које људско око види. За извесне биљке овај опсег "светлости" је на оба краја нешто проширен. Тако дуготаласно ултраљубичасто зрачење (320 - 390 нм) има активност у неким покретима биљака, а блиску инфра-црвену светлост (до 1000 нм) извесне бактерије могу да користе у фотосинтези. Електромагнетно зрачење се карактерише таласном дужином (λ)(фреквенцијом) и енергијом. Уколико је таласна дужина већа (тј. фреквенција мања) опада енергија коју носи један кванат светлости (фотон). Плава светлост таласне дужине од 400 нм има енергију од 299,1 кЈ по једном молу кванта, а црвена светлост од 700 нм има само 170,9 кЈ.
У одређеном опсегу сва електромагнетна зрачења могу да делују на структуру молекула који их апсорбују. γ-зраци, Χ-зраци и краткоталасни УВ зраци имају високу енергију и утичу на везе међу честицама које граде атомска језгра. Стога долази до промена, распада органских материја које су изложене овим зрачењима. Промене у структури нуклеинских киселина и протеина под утицајем краткоталасних зрачења су стога врло штетне за жива бића, а често и леталне.
Зраци видљиве светлости, међутим, немају довољну енергију да изазову значајна иреверзибилна оштећења органских једињења. Ови зраци се апсорбују у спољашњем електронском омотачу молекула пигмената, у који улазе спољашњи, или валентни електрон. Електрони који припадају само једном атомском језгру зову се н-електрони, а они који су заједнички за два језгра и граде везу међу њима могу бити σ-електрони или π-електрони, што зависи од односа њихове путање и осовине између језгара. Код органских молекула, сто је већи број коњугованих веза, таласна дужина светлости која се апсорбује је већа.[2]
Апсорпциони спектри пигмената уреди
Фотосинтетички пигменти апсорбују светлост одређених таласних дужина и стога имају боју пропуштене или одбијене светлости. Апсорпциони спектри, који су карактеристични за поједине пигменте, представљају се графички тако, што се апсорбанција нацрта у функцији таласне дужине. Сви хлорофили имају две зоне апсорпције, једну у плавом и другу у црвеном делу спектра, али су таласне дужине максималне апсорпције различите. Тако хлорофил а у етарском раствору апсорбује највише светлости од 430 и 663 нм, а хлорофил б на 450 и 643 нм. Каротеноиди апсорбују само у љубичастом и плавом делу спектра. За све њих је карактеристичан спектар са два или три врха. β–каротен има плато на 420 нм и врхове на 460 и 480 нм. Фукоксантин, ксантофил који се налази код мрких алги, апсорбује и плаво-зелени део спектра, све до 500 нм. Фикобилини апсорбују светлост између зеленог и црвеног дела спектра, и то фикоцијанин између 500 и 618 нм, а фикоеритрин од 450 до 576 нм.
Укупна апсорпција листа или ћелија алги је доста широка и она представља збир апсорпција појединих пигмената. Разноликост пигментних система омогућава биљкама да у фотосинтези искористе већи опсег светлосног зрачења.
Појава да се биљке адаптирају у односу на средину тако што изграђују пигменте чија је боја комплементарна боји расположиве светлости назива се комплементарна хроматична адаптација.
Акциони спектри фотосинтезе уреди
У свим физиолошким процесима у којима светлост учествује, од значаја је да се утврди акциони спектар светлости за тај процес. Акциони спектри се мере на следећи начин: биљке се осветљавају монохроматском светлошћу растућих таласних дужина, са 10 или 20 нм размака, нпр. 410,420,430,...,680,690,700 нм, при чему се води рачуна да упадна енергија светлости за све таласне дужине буде једнака. При сваком осветљењу одређује се интезитет фотосинтезе мерењем неког параметра, нпр. количине ослобођеног О2. Акциони спектар се представља графички као интезитет процеса у функцији од таласне дужине.
Подударност акционог и апсорпционог спектра уреди
Пошто у сваком физиолошком процесу може бити активна само она светлост која је апсорбована, јасно је да се акциони спектри морају подударати са апсорпционим спектрима пигмената. Подударност ових спектара је индикација о томе који пигменти у датом процесу имају улогу рецептора.
Укупни апсорпциони спектри листа или ћелија алги подударају се са акционим спектрима фотосинрезе. Постоје само две зоне у којима подударност није потпуна. Прва лежи у плавом делу спектра, око 480 нм, где је апсорпција релативно већа од активности. Друга зона је у далеко црвеном делу спектру, на таласним дужинама око 700 нм. У том делу је апсорпција светлости такође већа од ефекта.
_i_akcioni_spektar_fotointeze_(isprekidana_linija).jpg)
Физичке појаве при апсорпцији светлости уреди
Под утицајем спољашњих фактора и агенаса у молекулу долази до физичких и хемијских промена, тако и при апсорпцији светлости јављају се одређене физичке појаве.
Ексцитација уреди
Електрони који чине спољашњи омотач молекула су везани за своје орбите и на нормалној биолошкој температури налазе се на најнижем енергетском нивоу, у основном стању. Свака орбита, која представља путању за електроне, састоји се од породице орбита, које одговарају стању повишене енергије. Електрон чија се енергија повећа примањем кванта светлости (фотона), прелази на своју следећу орбиту, која одговара повишеној енергији. То је ексцитирано, или побуђено стање молекула. Електрон који је у основном стању означен са н или π, означава се као н*, односно π* у побуђеном стању. Када молекул апсорбује светлост, могући су прелази електрона н у н*, или π у π*. Енергија фотона који изазива прелазак електрона мора бити једнака енергетској разлици између две орбите. За молекуле једног једињења постоје утврђене могуће орбите са фиксним енергетским разликама међу њима, тако да се електронски прелази могу остварити ако упадна светлост садржи фотоне одговарајуће енергије. Отуда је разумљиво што су апсорпциони спектри карактеристични за поједина једињења: апсорбују се зраци оне таласне дужине, односно енергије, који су у стању да изазову електронске прелазе из основног у ексцититрано стање.
У молекулу сложене структуре, као што су хлорофили, свака енергетска орбита има неколико блиских енергетских стања, или вибрационих нивоа. Електрони који прелазе из једне орбите у другу, могу поћи са разних вибрационих нивоа основне орбите и доспети на разне вибрационе нивое ексцитираног стања. Отуда једна популација органских молекула не апсорбује само зраке једне таласне дужине, као нпр. атоми метала, него шири део спектра око једне главне таласне дужине. У већој популацији молекула највећи број ипак апсорбује једну одређену таласну дужину и она представља максимум у апсорпционом спектру. Са удаљавањем од максимума све мањи број молекула апсорбује зраке краће, односно дуже таласне дужине и њихов број је распоређен симетрично око максимума. Стога се апсорпциони спектар карактерише таласном дужином максималне апсорпције и полуинтезитетском ширином, тј. ширином спектра (у нм) на делу на коме је интезитет апсорпције 50% од максималног.
У молекулу хлорофила постоје две могуће орбите ексцитираног стања; виша орбита одговара енергији фотона плаве, а нижа фотону црвене светлости. Због тога се максимуми апсорпције хлорофила налазе у плавом и црвеном делу спектра, те апсорпција ове светлости доводи хлорофил у ексцитирано стање. Ексцитирано стање молекула је врло нестабилно и краткотрајно. Веома брзо долази до деексцитације, при чему се молекул хлорофила ослобађа примљене енергије и враћа у основно стање. Постоје раличити путеви деексцитације: флуоресценција, фосфоресценција, индукована резонанција и губитак електрона.
Флуоресценција и фосфоресценција уреди
Када хлорофил апсорбује плаву светлост, ексцитирано стање (други синглет) траје свега један билионити део секунде. Електрон губи део енергије у виду топлоте и враћа се прво у нижу могућу орбиту ексцитираног стања; ова орбита, иначе одговара енергији кванта црвене светлости и на њу прелазе електрони при апсорпцији црвене светлости. Према томе, било да хлорофил апсорбује плаву, било црвену светлост, побуђени електрон се увек нађе на истој орбити. Ово ексцитирано стање је нешто стабилније и траје милијардити део секунде (први синглет). У овом времну електрон, пре свега, пада на најнижи вибрациони ниво исте орбите, при чему се мали вишак енергије губи као топлота. Затим може доћи до потпуне деексцитације, када се електрон врати на основну орбиту. Енергија која с етада ослобађа поново се емитује ако квант светлости и ова светлосна емисија је позната као ’’’флуоресенција’’’. У таквом случају молекул хлорофила је најпре апсорбовао, а затим емитовао светлост. Због прелаза на ниже вибрационе нивое у оквиру орбите ексцититраног стања, извесна количина апсорбоване енергије се увек губи као топлота. Према томе, поновно емитована светлост иам мању енергију него апсорбована. Другим речима, таласна дужина флуоресцентне светлости је увек већа од апсорбоване. Хлорофил а у етарском раствору апсорбује на 430 и 665 нм, а флуоресцира на 680 нм.
До деексцитације може доћи и посредним путем, преко промене ексцитираног спина електрона. Пошто једна орбита по правилу садржи два електрона која имају супротне смерове ротације око осовине (квантни број спина), који се арбитарно обележавају као +½ и –½, у молекулу је укупан спин С раван нули (С=0). При прелазу електрона на вишу орбиту њихов спин се не мења, молекул се налази у синглет стању. Код хлорофила постоји први и други синглет, зависно од апсорбоване енергије (црвене односно плаве светлости). Међутим, може се догодити да дође до реверзије спина једног електрона у току ексцитираног стања. Тада пар електрона има спин истог знака а укупни спин молекула је 2С+1. Ово стање молекула је означено као триплет стање. Оно је стабилније од претходних ексцитираних стања и траје од стохиљадитог до хиљадитог дела секунде. Може се догодити да електрон из триплет стања поново промени спин и врати се у основну орбиту, а да се вишак енергије поново емитује као фотон. Та појава се зове ’’’фосфоресценција’’’.
Индукована резонација уреди
Још једасн начин деексцитације састоји се у преношењу енергије са једног молекула пигмента на други. Пре свега може се догодити да флуоресцентну светлост једног молекула апсорбује други молекул. Међутим, ако су молекули довољно близу један другом, не мора доћи до емисије фотона, него се есцитирано стање, ’’’ексцитон’’’, једног молекула као квант енергије преноси на други молекул. Ова појава се зове ’’’индукована резонанција’’’ и има велики значај за примарне процесе у фотосинтези. Пренос ексцитоан се може обавити на молекул који апсорбује светлост исте или мање енергије, односно веће таласне дужине. На тај начин, апсорбована енергија може у виду ексцитона да се пренсе преко већег броја молекула пигмената и увек је каналисана у правцу молекула који апсорбује светлост са највећом таласном дужином.
Фотохемијска реакција уреди
Сва три описана начина деексцитације предсатављају добтро познате физичке промене, које се срећу и у току фотосинтетичког процеса, но оне нису начин којим се енергиај светлости користи у фотосинтези. У њима се светлост апсорбује и одмах потом поново емитује, не мењајући стање у коме се налазе молекули пигмената. Фотосинтеза започиње тек када ексцитирани молекул хлорофила изгуби електрон који се нашао на орбити са вишом енергијом. Да би се то догодило, потребно је да у близини ексцитираног хлорофила постоји неко једињен је које тај електрон може да прими, тј. акцептор електрона. При том се хлорофил оксидује и остаје позитивно наелектрисан, а акцептор се редукује. У молекулу хлорофила осатје електронска празнина и хлорофил сада прима електрон од трећег једињења, које псотаје донор. Редукција неког једињења није више физичка, већ фотохемијска појава. То је прва оксидо-редукујућа реакциаја, којом почиње фотохемијска фаза фотосинтезе. СВетлосна енергија која је довела до ексцитароног стања хлорофила и која је претворена у редукциони еквивалент, представља иницијалну енергију која покреће све касније фотосинтетичке реакције.
Види још уреди
Референце уреди
- ^ http://accessscience.com/content/Absorption-of-electromagnetic-radiation/001600 29.11.2015,16:53
- ^ Несковиц, Мирјана; Коњевиц, Радомир; Цулафиц, Љубинка, ур. (2010). Физиологија биљака. ННК Интернатионал. стр. в. ИСБН 978-86-83635-92-4.
Литература уреди
- Петер W. Аткинс: Пхyсикалисцхе Цхемие. ВЦХ, 1987/88,. ISBN 978-3-527-25913-7, С. 305.
- Георг Wиттке: Фарбстоффцхемие. 3. Ауфл., Диестерwег, Франкфурт ам Маин 1992,. ISBN 978-3-425-05368-4.
- Х.Г. О. Бецкер: Еинфüхрунг ин дие Пхотоцхемие. Деутсцхер Верлаг дер Wиссенсцхафтен, 1991,. ISBN 978-3-326-00604-8.
- Паул А.Типлер, Гене Мосца: Пхyсик фüр Wиссенсцхафтлер унд Ингениеуре. 2. Ауфл., 2004,. ISBN 978-3-8274-1164-8, С. 994–996.
